超磁致伸缩驱动器驱动磁场仿真分析

为了充分发挥超磁致伸缩驱动器的特性,提高超磁致伸缩驱动器驱动磁场的性能,通过采用电流励磁法,建立基于磁感应强度为控制变量的单层空心线圈、多层空心线圈和带超磁致伸缩棒的多层线圈的轴线磁感应强度数学模型,分析超磁致伸缩棒、线圈长度和线圈半径对驱动磁场的均匀性和驱动磁场大小的影响.仿真结果表明,减小超磁致伸缩棒与驱动线圈之间的气隙,能提高驱动磁场的线性度;在满足设计要求的范围内,增加线圈长度,减小线圈半径,能够提高驱动磁场均匀性;仿真结果对超磁致伸缩驱动器驱动磁场的设计提供了一定的理论依据.     

双相对置超磁致伸缩驱动器输出位移的有限元分析

为了充分发挥超磁致伸缩材料的性能,提高超磁致伸缩驱动器的输出特性,提出了一种双相对置超磁致伸缩新型驱动器,介绍了新型驱动的结构组成与工作原理.在建立双相对置超磁致伸缩驱动器轴对称模型基础上,利用有限元法对驱动器的磁场分布进行了分析,并通过数值积分方法计算在不同励磁电流激励下超磁致伸缩棒的伸长量,并最终计算出驱动器的输出位移,根据计算结果对驱动器的线性工作范围做出了有效的估计.结果表明,新型驱动器具有更好的输出线性度和更大的输出位移.     

超磁致伸缩微位移驱动器设计

针对超磁致伸缩材料,设计一种超磁致伸缩微位移驱动器并实现对其控制。在分析超磁致伸缩材料工作特性和超磁致伸缩驱动器工作原理的基础上,确定超磁致伸缩驱动器的结构参数,并应用有限元软件对超磁致伸缩驱动器的机械结构进行电磁场分析,比较无偏置磁场和含偏置磁场下超磁致伸缩材料所处位置的平均磁场强度,验证驱动器机械结构的合理性。同时设计压控电流源,利用基于数字信号处理器的控制器中数模转换电路控制压控电流源,使激励线圈配合偏置线圈产生所需磁场。实验表明,在给定预紧力和偏置磁场条件下,超磁致伸缩材料在2A激励电流下可输出行程为27.1μm,位移精度0.1μm,磁滞回线的平均厚度为3.29μm,验证了超磁致伸缩驱动器结构设计的合理性。     

超磁致伸缩材料传感/执行器的原理与应用

超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料,具有大磁致伸缩系数、高能量密度、低磁场驱动、高磁机转换效率以及快速响应等优点,在精密驱动技术中得到应用。利用磁致伸缩正效应可以开发微位移执行器、力驱动器和振动器等;利用磁致伸缩逆效应可以开发力、力矩和位移传感器以及能量转换器;利用磁致伸缩正逆耦合效应可以开发集驱动、力测量、输出力感知和输出力可控等功能于一体的器件,应用于精密驱动领域。在分析了磁致伸缩正效应、逆效应以及正逆耦合效应机理的基础上,阐述了超磁致伸缩传感器、执行器以及传感执行一体化器件的开发原理及其应用现状。     

超磁致伸缩电—机转换器位移感知模型及滞环分析

超磁致伸缩电—机转换器响应快、可靠性高,但动态驱动时,因受磁滞、涡流等因素影响,输出位移的滞环较大。需要以准确的数学模型为基础,通过控制算法来补偿滞环,或通过优化其结构参数来降低滞环。通过实时测量超磁致伸缩棒上所绕线圈两端的感应电压和推导此感应电压与超磁致伸缩电—机转换器输出位移的关系,建立实时反映超磁致伸缩棒磁化状态的超磁致伸缩电—机转换器动态位移感知模型,并进一步推导出了超磁致伸缩电—机转换器输出位移的滞环与其结构参数的关系。通过与试验结果对比,当驱动频率小于300 Hz时,由所建模型计算出的位移峰—峰值的相对误差小于5.8%;通过仿真研究超磁致伸缩电—机转换器结构参数对输出位移滞环的影响,得出增加预压弹簧的刚度,可以降低动态驱动时的滞环。     

大行程精密定位超磁致伸缩驱动器的设计与控制

实现一种新型的固态智能材料驱动大行程精密驱动器的设计和控制。基于超磁致伸缩驱动原理和柔性铰链放大机构,采用非永磁和永磁偏置驱动器粗—精驱动组合设计,研制大行程精密超磁致伸缩组合驱动器。建立永磁偏置下的电磁、永磁复合磁场激励的驱动器位移控制系统传递函数模型,实现了粗、精分级精密定位控制方法。实现一套超磁致伸缩组合驱动器原型样机,并进行了精密定位驱动试验验证测试。试验结果证明系统模型的准确性和控制方法的有效性,样机驱动行程可达0.71 mm。并测得在温升负效应情况下,控制行程在0.6 mm范围内,所设计超磁致伸缩组合驱动器位移分辨率为±30 nm,驱动位移精度达±90 nm。研究成果可广泛用于基于固态智能材料驱动的大行程精密驱动装置的设计和实现。     

超磁致伸缩薄膜磁致伸缩耦合机理的有限元分析

从微观能量角度分析了超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩机理,建立了超磁致伸缩薄膜的非线性强磁—机械耦合模型。设计了简支梁式超磁致伸缩薄膜的驱动磁场并对其进行实验研究。通过Ansys有限元分析软件对简支梁式超磁致伸缩薄膜驱动模型进行了模拟分析,最终得到的薄膜的内部磁场分布结构及固有频率。结果表明,采用椭圆积分法得到薄膜内部磁场分布的数学模拟计算结果与有限元仿真结果基本一致。     

超磁致伸缩泵驱动磁路建模及数值分析

提出了一种面向固液混合作动器的新型超磁致伸缩泵结构。对超磁致伸缩泵驱动磁路进行了数学建模,采用有限元法对其磁场分布进行了数值模拟,并与理论计算结果进行对比,发现超磁致伸缩棒上磁感应强度的理论计算值与仿真结果基本吻合。采用磁场有限元法分析了超磁致伸缩棒的轴向磁场与径向磁场均匀性,发现径向磁场均匀性明显高于轴向;针对不同长度的棒进行了轴向磁场均匀性分析,揭示了其影响与作用规律;在此基础上对驱动磁场进行了动态数值模拟,发现在输入电压恒定时超磁致伸缩棒内的磁感应强度随着输入信号频率的提高而衰减,实验与仿真结果的对比验证了仿真的正确性。     

基于双曲正切函数磁滞算子的超磁致伸缩驱动器动态Preisach模型

经典Preisach算子存在不能反映单元算子磁滞输出依赖于输入变化率的固有缺陷,为扩大Preisach磁滞模型的应用范围,提出一种基于双曲正切函数的动态Preisach磁滞算子,其形状参数为输入变化率的双曲正切函数,该算子可描述超磁致伸缩驱动器磁滞依赖输入变化率的特性。在此基础上构造出超磁致伸缩驱动器动态Preisach模型,并利用BP神经网络完成动态Preisach模型的参数辨识。进行超磁致伸缩驱驱动器磁滞输出试验研究,将驱动频率分别为40 Hz、70 Hz、100 Hz的正弦电流下超磁致伸驱动器(Giant magnetostrictive actuator,GMA)输出位移试验数据作为训练样本数据,并另取训练样本数据中未包含的100 Hz以下20 Hz、50 Hz、80 Hz与100 Hz以上120 Hz、130 Hz、150 Hz共六种频率信号下GMA输出位移试验数据对其预测能力进行检验,结果表明该动态模型能够较为精确地描述超磁致伸缩驱动器的动态磁滞现象并具有较好的模型泛化能力。在0~150 Hz频率的输入电流下,该动态Preisach模型的最大预测位移均方误差为2.87μm,最大绝对位移误差为4.4μm。研究结果可广泛应用于GMA实时控制系统,提高GMA器件的控制精度。     

超磁致伸缩薄膜微机械变形镜驱动器的研究

分析了微机械变形镜MEMS驱动器的种类及其特点,并在磁致伸缩薄膜具有低磁场下的大形变、低功耗、高响应速度等特性基础上,提出了超磁致伸缩薄膜MEMS驱动器的原理.由于TbFe磁致伸缩薄膜在外加磁场作用下,微桥将在水平方向上产生伸长变形,从而引起微桥在垂直方向上发生位移.根据这一原理,设计了一种用于微机械变形镜MEMS驱动器的超磁致伸缩薄膜驱动结构,同时提出制作磁致伸缩薄膜连续式微机械变形镜的工艺流程.     

DEVELOPMENT OF THE CONTROL METHODOLOGY OF THE GIANT MAGNETOSTRICTIVE ACTUATOR BASED ON MAGNETIC FLUX DENSITY

According to the principle of the magnetostriction generating mechanism, the control modelof giant magnetostriction material based on magnetic field and the control method with magnetic fluxdensity are developed. Furthermore, this control method is used to develop a giant magnetostrictivemicro-displacement actuator (GMA) and its driving system. Two control methods whose control vari-ables are current intensity and magnetic flux density are compared with each other by experimentalstudies. Finally, effective methods on improving the linearity and control precision of mi-cro-displacement actuator and reducing the hysteresis based on the controlling magnetic flux densityare obtained.     

A giant magnetostrictive actuator based on use of permanent magnet

The giant magnetostrictive actuator has some unique performances, such as precision position resolution, several kilonewtons of force output, fast frequency response, etc., so it is suitable for the field of ultraprecision measurement and ultraprecision machining. Due to the effect of temperature, the displacement of traditional giant magnetostrictive actuator based on the use of electromagnetism transforming must present nonlinearity. For avoiding this problem, a kind of giant magnetostrictive actuator based on the use of permanent magnet is present in this paper. The driving magnetic field generated by permanent magnetic field can avoid skin effect and eddy current caused by electromagnetism transforming mode for giant magnetostrictive actuator and the performances of actuator are better than that based on electromagnetism transforming. The structure and principle about this driving mode are described in this paper and the value and uniformity of magnetic field affected by some key parameters are mainly discussed in this paper. At last, through several experiments of displacement and creep, it is verified that the driving mode of actuator based on use of permanent magnet is advanced.     

喷油器用超磁致伸缩致动器多自由度模型

为满足高压共轨喷油器球阀的驱动要求,设计喷油器用超磁致伸缩致动器。考虑超磁致伸缩棒轴向磁场强度分布的不均匀性,计算磁场强度为电流和轴向尺寸的二元函数,并基于J-A模型、二次畴转理论和振动理论建立致动器的多自由度模型;确定合理的自由度取值,并给出模型的阶跃信号稳态响应解、状态空间形式,并采用Matlab软件进行求解;计算得到致动器直流稳态响应和低频正弦响应,并与试验结果对比验证模型的准确性;将油液负载近似为弹性-阻尼负载,利用文中的模型预测致动器在喷油器中的响应特性。结果表明,多自由度模型计算的直流稳态响应与试验结果误差较小,低频正弦响应曲线在形状和数值上与试验结果吻合,说明模型比较准确;经过模型计算,所设计的喷油器用致动器加载后输出位移大,响应时间快,能够满足驱动要求。     

超磁致伸缩材料动态涡流损耗模型及试验分析

超磁致伸缩材料Terfenol-D以其大磁致伸缩系数、快速时间响应及高能量密度的特点较广泛应用于高频动态领域,如超声换能器及振动主动控制结构等。磁性材料在高频磁场驱动条件下会产生涡流损耗,工作频率越高,涡流损耗越大,导致超磁致伸缩器件的输出功率显著降低。通过分析影响涡流损耗大小的关键性因素涡流截止频率与集肤深度,得到有效抑制涡流损耗的方式包括降低材料的电导率以及采用叠堆结构材料。采用经典的基于麦克斯韦方程组的涡流损耗模型,分析高频条件下磁场在整体结构与叠堆结构内部的分布,并通过试验比较两种超磁致伸缩材料结构的涡流损耗对材料阻抗频谱曲线、振动幅度的影响。试验结果显示叠堆结构的超磁致伸缩材料能够大幅度地抑制涡流损耗,其模型与试验结果相吻合。     

超磁致伸缩驱动器建模及其迟滞补偿

本文提出了用超磁致伸缩材料与压曲放大机构相结合构成微位移驱动器的方法,建立了超磁致伸缩执行器的控制系统传递函数模型。文中对所建立的系统进行了相频和幅频特性的理论分析和实验,合理地解释了此系统的迟滞曲线随输入信号频率变化的原因。为了进行迟滞非线性补偿,提出了相位补偿与迟滞逆模型相结合来补偿迟滞特性的控制方法。实验结果证明了系统理论模型的准确性和补偿控制方法的有效性。     

基于超磁致伸缩材料的折弯型压曲放大机构设计、分析与控制

为满足微位移定位系统的应用要求,设计由超磁致伸缩材料驱动的新型折弯型柔性压曲放大机构。在其他微位移放大机构的基础上,设计便于制作和使用的二维平面型折弯型机构,该机构在实现微位移放大的同时也使位移的方向产生90°转变。通过有限元计算分析,优化折弯屈曲板的结构参数。针对超磁致伸缩材料输出位移与输入电流间磁滞非线性与其负载和频率的关系,采用BP神经网络分别构造磁滞上升半环和下降半环的逆模型,并通过输入信号对其进行选择从而进行磁滞补偿。仿真试验结果验证了该方法的有效性。构建基于超磁致伸缩材料驱动的压曲放大机构试验装置,采用该装置,分别对单环磁滞和多环磁滞进行补偿控制试验,获得了满意的位移控制效果。     

微位移驱动器在止推油膜轴承中的应用

针对止推油膜轴承的偏载问题,研究了微位移驱动器在止推油膜轴承中的应用。通过理论计算得到油膜厚度、压力和温度分布,分析了止推轴承油膜厚度的变化对载荷与温度的影响。设计了一种超磁致伸缩微位移驱动器微位移驱动器,并建立了杠杆试验机测试其静态位移输出特性,证实超磁致伸缩微位移驱动器具有与润滑膜厚同一数量级的位移输出,可应用于止推轴承油膜间隙的主动调节,均衡瓦块间载荷并降低温升。利用超磁致伸缩微位移驱动器微位移驱动器设计了一种新型结构的可自动调节间隙的止推油膜轴承,并建立了用于测试该新型轴承的止推轴承实验台。     

Magnetostrictive and Kinematic Model Considering the Dynamic Hysteresis and Energy Loss for GMA

Due to the influence of magnetic hysteresis and energy loss inherent in giant magnetostrictive materials (GMM), output displacement accuracy of giant magnetostrictive actuator (GMA) can not meet the precision and ultra precision machining. Using a GMM rod as the core driving element, a GMA which may be used in the field of precision and ultra precision drive engineering is designed through modular design method. Based on the Armstrong theory and elastic Gibbs free energy theory, a nonlinear magnetostriction model which considers magnetic hysteresis and energy loss characteristics is established. Moreover, the mechanical system differential equation model for GMA is established by utilizing D’Alembert’s principle. Experimental results show that the model can preferably predict magnetization property, magnetic potential orientation, energy loss for GMM. It is also able to describe magnetostrictive elongation and output displacement of GMA. Research results will provide a theoretical basis for solving the dynamic magnetic hysteresis, energy loss and working precision for GMA fundamentally.     

超磁致伸缩驱动器及有限元分析方法的研究

新型超磁致伸缩材料TbDyFe具有输出力大、位移分辨力高及位移范围大等特点,将其应用于微位移驱动器中,将极大的提高驱动器的性能指标,从而推动超精加工技术的发展.文中介绍了应用超磁致伸缩材料研制的驱动器的结构及性能,并利用有限元方法对建立磁-机械耦合模型进行分析,以利于计算机的模拟仿真,对驱动器进行分析及设计.